刘臻伟，程亚武，徐 琦，徐 畅

（大冶有色金属集团控股有限公司，湖北 黄石 435005）

1 引言

大冶有色金属集团控股有限公司（以下简称大冶公司）冶炼厂转炉车间阳极铜浇铸系统由TM18双圆盘与TM16双圆盘两套系统组成，目前所用浇铸阳极模为铸铁材质，在前期生产中平均使用寿命仅为240t·Cu/块，阳极铜生产成本偏高。因此，分析铸模使用过程中影响寿命的问题点，并对此改进模具使用的工艺配置，提高铸模使用寿命，成为大冶公司转炉车间降本增效的课题。

2 影响阳极模服役寿命的因素

2.1 浇铸过程铜水温度的影响

生产过程中，在工况无重大波动的条件下，对铜水温度进行调整试验，通过统计得出铜水温度对应的阳极模平均寿命如图1所示。

图1 浇铸铜水温度对阳极模使用寿命的影响

由图1可知，浇铸过程铜水温度越高，生产过程阳极模表面温度越高，阳极模使用寿命越低。因为较高的铜水温度不仅易造成铸铁模具的高温腐蚀，同时由于铸铁材质导热性相对较差，抗急冷急热性能一般，模面温度高，当热量无法及时释放时，易出现裂纹而无法使用［1-2］。而大冶公司由于建厂年限较长，前期的设计中精炼炉炉体与圆盘之间的高度差并不理想，造成固定溜槽坡度较缓，因此对铜水流动性要求高，炉前常控制出铜温度在1240℃左右，与同行业先进企业1180℃的标准相差40～60℃，对铸模寿命影响较大。

2.2 脱模剂喷涂效果的影响

目前大冶公司所用脱模剂为98.5%硫酸钡，通过观察现场喷涂情况，发现铸模表面喷涂不均匀情况较多，特别是阳极模耳部区域，常出现耳部未喷涂情况，其次是阳极模边缘区域。喷涂不均易造成浇铸过程中发生粘模现象，前期各月阳极板粘结率及阳极模寿命如图3所示。

图2 2017年各月阳极模粘结率及阳极模寿命情况

由图2可知，阳极模粘结率越高，使用寿命越短，2017年平均粘结率为5.5%左右，而平均阳极模使用寿命为251 t·Cu/块。通过现场确认，喷涂不均匀的主要原因为喷涂搅拌桶进浆口及喷涂管易被编织袋、大颗粒物、块状物堵塞，硫酸钡与水混合不均匀而造成喷涂不到位的现象，阳极模未喷涂部位与阳极板粘结，进而影响阳极模寿命及产品质量。

2.3 喷淋冷却系统的影响

喷淋系统的冷却能力决定了浇铸过程的阳极模温度，当冷却强度达不到要求时，铸模表面温度较高，模具易过度热膨胀而出现裂痕，使用寿命降低［3-6］。大冶公司前期圆盘冷却喷头为10个，但2016年经过循环水泵改造，循环水压力由原来2至3kg增加至现在的4kg，导致喷淋水经常出现水量过大而发生水泵跳车、失压现象。另一方面由于厂区生产用水杂质较多，喷淋管易堵塞，一定程度上也影响了喷淋冷却效果。通过标记阳极模进行试验，得出阳极模表面温度与使用寿命关联如图3所示。

由图3可看出，阳极模表面温度越高，使用寿命越低。就大冶公司工况而言，当铸模温度低于330℃时，模寿能达到300t·Cu/块左右，指标相对较好，而在正常生产条件下，平均模温约为360℃左右，此温度条件下，阳极模使用寿命在260t·Cu/块以下。

3 改进实践及效果

3.1 阳极模结构优化

3.1.1 阳极模外形优化

铸件外形结构改进，模体的顶部中段开有两个左右对称布置的凹槽，构成山字形围边结构，如图4所示。未改进前，改进点部位经常因为应力集中导致阳极模发生穿透性裂纹，影响铸模寿命［7-9］。

图4 阳极模结构改进对比示意图

改进点1：此处原结构明显比周围厚大，因此无论是铸造还是浇注工作状态，均易产生应力集中。改成如图4所示结构不但节省铁水，不影响“山”字头压紧定位，而且整个壁厚均匀、协调，有利于减轻或者避免应力集中。

改进点2：原设计过渡圆角均较小，基本按照结构功能性铸件设计，改进是按照满足耐热铸件减少应力集中尽可能加大圆角过渡。

改进点3、4：在此加上一个铸肋有两个作用：一个是挡住对面来的铜水防溢出，另外就是起到抗拉和变形的作用。

3.1.2 阳极模双顶针改造为单顶针

根据现场确认，在浇铸作业中，阳极模顶针孔处极易出现裂纹，为阳极模的脆弱区域之一，两个顶针孔的设计降低了模具的强度，在保证不影响使用的前提下，将顶针孔缩减为1个，提高阳极模的强度，如图5所示，同时也可以降低顶针消耗量。

图5 改造前后的阳极模

3.2 控制浇铸过程铜水温度

精炼炉炉前加装热电偶，用于出铜前铜水温度测量，便于温度控制；另一方面，为了使浇铸过程铜水温度降低后的仍然具有良好的流动性，在固定溜槽处加装保温盖板装置，用以浇铸过程保温，如图6所示。通过生产试验对比，得出在不影响阳极板质量的前提下（改造前阳极板外观合格率为98.60%），铜水温度可由之前的1260℃降低至1180～1200℃，如图7所示。

图6 固定溜槽加装保温盖板

图7 浇铸铜水温度对阳极板外观合格率的影响

3.3 喷涂管道结构优化

针对喷涂管道系统易混入杂物问题，车间通过在喷涂枪进浆口加装过滤网，并及时清理，避免杂物堵塞搅拌桶进浆口，铸模喷涂效果提升，阳极板粘结率明显降低，如图8所示，阳极模平均寿命也提高到320t·Cu/块，同时阳极板产生飞边毛刺概率降低，质量得到提升。

图8 喷涂管优化后阳极模寿命及粘结率情况

3.4 圆盘冷却系统优化

（1）合理分配降温点。阳极板浇铸过程中，浇铸点位置后三个模位是阳极铜冷凝区域，该位置禁止水冷降温，否则急冷急热易导致阳极模出现裂纹，阳极板也易发生变形。根据前期经验，水冷区域第一个喷淋罩下方的喷淋点容易使阳极模出现大幅降温而产生裂纹，停用此喷淋点后，延长了阳极模的自然冷却时间，阳极板鼓包率也进一步降低，因此在此次改造中，取消第一个喷淋点。

（2）管道管径疏通。喷淋系统主管规格为DN150，分管为DN50，但在实际运行中，加装的气动控制阀规格为DN25，在日常拆卸更换过程中发现，该部位极易堵塞，且使用次数极少，因此在管道改造时，将气动阀取消。

改造完成后，圆盘喷淋系统在操作性、调控性及通畅性方面均明显优于改造前，以阳极模温度控制为例，如图9所示，平均模温由340～370℃降低至 280～310℃。

图9 喷淋冷却系统优化后模温控制对比

3.5 改进效果

以上四项改进措施完成后，阳极模结构得到优化，浇铸铜水温度控制在1180～1200℃，喷涂效果改善，阳极模粘结率降低至2.8%，阳极模表面温度控制在280～310℃，6个月后平均阳极模寿命由240t·Cu/块提高到350t·Cu/块左右，阳极板外观质量也得到提高。

4 结论

（1）影响大冶公司阳极模使用寿命的主要生产因素为浇铸过程铜水温度、脱模剂喷涂效果、喷淋系统冷却能力三点；改造前浇铸铜水温度约为1240℃，阳极模粘结率为5.5%，阳极模表面温度约360℃。

（2）针对延长阳极模使用寿命课题，大冶公司做了四方面改进，分别为阳极模结构优化、控制浇铸铜水温度、喷涂管结构优化、冷却水系统优化。改造完成后铜水温度调整为1180℃，阳极模粘结率降低至2.8%，阳极模表面温度降低至310℃；调整后阳极模平均使用寿命提高至350t·Cu/块，成效明显。